JP4931728B2 - 三次元計測装置及び基板検査機 - Google Patents

Description

本発明は、三次元計測装置、及び、該三次元計測装置を備えた基板検査機に関するものである。

一般に、プリント基板上に電子部品を実装する場合、まずプリント基板上に配設された所定の電極パターン上にクリームハンダが印刷される。次に、該クリームハンダの粘性に基づいてプリント基板上に電子部品が仮止めされる。その後、前記プリント基板がリフロー炉へ導かれ、所定のリフロー工程を経ることでハンダ付けが行われる。昨今では、リフロー炉に導かれる前段階においてクリームハンダの印刷状態を検査する必要があり、かかる検査に際して三次元計測装置が用いられる。また、リフリー工程を経た後においても、電子部品の実装状態を検査する必要があり、当該検査に際しても三次元計測装置が用いられることもある。

近年、光を用いたいわゆる非接触式の三次元計測装置が種々提案されており、中でも位相シフト法を利用した三次元計測装置に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１等）。当該位相シフト法を利用した三次元計測装置においては、光源と正弦波パターンのフィルタとの組み合わせからなる照射手段により、正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンをプリント基板に照射する。そして、基板上の点を真上に配置したＣＣＤカメラを用いて観測する。この場合、画面上の点Ｐの光の強度Ｉは下式で与えられる。

Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ
［但し、ｅ：直流光ノイズ（オフセット成分）、ｆ：正弦波のコントラスト（反射率）、φ：物体の凹凸により与えられる位相］
このとき、光パターンを移動させて、位相を例えば４段階（φ＋０、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をもつ画像を取り込み、下記式に基づいて変調分αを求める。

α＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝
この変調分αを用いて、クリームハンダ等の計測対象上の点Ｐの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められ、もって計測対象の三次元形状、特に高さが計測される。

しかしながら、実際の計測対象には、高いものもあれば低いものもある。例えば、クリームハンダに関して言えば、薄膜状のものもあれば、円錐台状をなして突起しているものもある。そして、これら測定対象のうち最大の高さに合わせて、照射する光パターンの縞の間隔を広くすると、分解能が粗くなってしまい、測定精度が悪化してしまうおそれがある。一方で、縞の間隔を狭くすることで、精度の向上を図ることはできるものの、測定可能な高さレンジが足りなくなってしまう（縞次数が別のものとなってしまう）おそれがある。

そこで、上述した位相シフト法と、空間コード化法とを組み合わせて、測定可能な高さレンジを大きなものとするとともに、高精度な計測を実現することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−２１１４４３号公報 特開平１１−１４８８１０号公報

ところが、上記特許文献２に記載の技術では、位相シフト法のみならず、空間コード化法に際しても、予め定めた回数だけ撮像しなければならず、必然的に撮像回数の増大を招いてしまっていた。そのため、総合的な処理速度の低下を招いてしまい、計測に時間を要してしまうおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、測定可能な高さレンジを大きくでき、かつ、高精度な計測を実現することができるとともに、撮像回数を最小限に抑制することができ、ひいては、計測（或いは検査）効率の向上を実現することのできる三次元計測装置及び基板検査機を提供することを目的とする。

以下、上記目的等を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果等を付記する。

手段１．基板本体上の計測対象部に対し、位相シフト法用の縞状の光パターン及び空間コード化法用の縞状の光パターンを照射可能な照射手段と、
前記光パターンの照射された計測対象部を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段による撮像を制御する撮像制御手段と、
前記撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象部の高さを演算する第１演算手段と、
前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における画像データのうち前記計測対象部に対応する縞を、空間コード化法により特定可能な第２演算手段と
を備えた三次元計測装置であって、
前記撮像制御手段は、基板の設計データ及び製造データのうち少なくとも一方に基づき、前記計測対象部の高さ情報又は概略高さ情報を取得し、当該高さ情報又は概略高さ情報に基づき、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を決定し、決定した撮像回数での撮像を実行することを特徴とする三次元計測装置。

手段１によれば、撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、第１演算手段によって、位相シフト法により少なくとも計測対象部の高さが演算される。また、これに先だって、或いは、これとともに、撮像手段にて撮像された画像データに基づき、位相シフト法による第１演算手段での演算時における画像データのうち前記計測対象部に対応する縞が、第２演算手段によって空間コード化法により特定される。つまり、空間コード化法によって、位相シフト法における計測対象部に対応する縞、すなわち、縞次数が、特定された上で、第１演算手段によって計測対象部の高さが演算される。そのため、空間コード化法のメリットたる測定可能な高さレンジを大きくできること、及び、位相シフト法のメリットたる高精度な計測を実現することができること、の双方の効果が奏される。

また、撮像制御手段によって、前記撮像手段による撮像が制御される。特に、手段１では、撮像制御手段により、基板の設計データ及び製造データのうち少なくとも一方に基づき、計測対象部の高さ情報又は概略高さ情報が取得される。そして、当該高さ情報又は概略高さ情報に基づき、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数が決定され、決定した撮像回数での撮像が実行される。このため、計測対象部の高さがそれほど高くない場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像手段による撮像回数を、より少ないものとすることができる。一方、計測対象部の高さが高い場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像手段による撮像回数をそれに応じて多くすることで、高さレンジに対応して、位相シフト法における縞次数を的確に特定することができる。すなわち、そのときどきに取得される計測対象部の高さ情報等に応じた最小限の最適な撮像回数を決定することができ、ひいては、総合的にも最小限の撮像回数で精度の高い三次元計測を実現できる。結果として、計測効率の向上を実現することができる。

手段２．基板本体上の計測対象部に対し、略正弦波状の光強度分布を有する位相シフト法用の縞状の光パターン、及び、光強度分布が所定コードに従う空間コード化法用の縞状の光パターンを照射可能な照射手段と、
前記位相シフト法用の光パターン及び空間コード化法用の光パターンが照射された計測対象部を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段による撮像を制御する撮像制御手段と、
前記撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象部の高さを演算する第１演算手段と、
前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における縞次数を、空間コード化法により特定可能な第２演算手段と
を備え、
前記第２演算手段によって、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における縞次数を特定した上で、前記第１演算手段によって、前記計測対象部の高さを演算するよう構成されてなる三次元計測装置であって、
前記撮像制御手段は、基板の設計データ及び製造データのうち少なくとも一方に基づき、前記計測対象部の高さ情報又は概略高さ情報を取得し、当該高さ情報又は概略高さ情報に基づき、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を決定し、決定した撮像回数での撮像を実行することを特徴とする三次元計測装置。

手段２によれば、基本的には上記手段１と同様の作用効果が奏される。すなわち、空間コード化法によって測定可能な高さレンジを大きくでき、位相シフト法によって高精度な計測を実現することができる。また、そのときどきに取得される計測対象部の高さ情報等に応じた最適かつ最小限の撮像回数を決定することができ、計測効率の向上を実現することができる。

手段３．前記撮像制御手段は、
取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値未満である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数をゼロ回とし、前記第２の演算手段による特定を経ることなく、前記第１演算手段によって前記計測対象部の高さを演算することを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

手段３によれば、計測対象部の高さが第１の所定値未満である場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像が行われない。すなわち、第２の演算手段による特定を経ることなく、位相シフト法のみによって計測対象部の高さが演算されることとなる。従って、計測対象部の高さが低い場合には、わざわざ空間コード化法用の撮像を行うことなく高精度の計測を実現できる。その結果、より一層の計測効率の向上を図ることができる。

手段４．前記撮像制御手段は、
取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値以上である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の互いに異なる光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を２回以上とすることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。

手段４によれば、計測対象部の高さが第１の所定値以上である場合には、空間コード化法用の互いに異なる光パターンの照射に基づく撮像手段による撮像回数が２回以上とされる。このように、２回以上撮像されることで空間コード化法用の画像データが２つ以上存在することとなる。これにより、位相シフト法のみでは複数の高さ候補が存在する場合でも、位相シフト法における縞次数をより的確に特定することができ、ひいては正確な計測を実現することができる。

手段５．前記位相シフト法用の縞状の光パターンは、当該位相シフト法用の縞状の光パターンの照射に基づく各撮像回数毎に、同じ周期で位相が異なるパターンであることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

手段５によれば、位相シフト法用の縞状の光パターンの照射に基づく各撮像回数毎に、同じ周期で位相が異なるパターンが照射される。このため、位相シフト法による演算式、演算プログラムの簡素化が図られるとともに、計測の精度の向上を図ることができる。

手段６．前記空間コード化法用の縞状の光パターンは、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく各撮像回毎に、最小周期の光パターンに対して、各回で異なる整数値を乗算した周期で明暗が反転するパターンであることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。

手段６によれば、撮像回数の増大に伴って、計測可能な高さレンジの増大を図ることができる。

手段７．前記照射手段は、単一の照明からなり、位相シフト法用の光パターン及び空間コード化法用の光パターンを切換照射可能であることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。

手段７によれば、位相シフト法用と空間コード化法用とで異なる照射手段を用いなくても済み、省スペース化及びコストの増大抑制を図ることができる。

手段８．前記照射手段は、光源と、液晶スリット板とを具備し、
前記液晶スリット板の一方の面側の複数の電極に印加する電圧を制御することで、前記光源からの光を略正弦波状に透過させて、位相シフト法用の縞状の光パターンを照射可能であるとともに、前記光源からの光をストライプ状に透過させて空間コード化法用の明・暗縞状の光パターンを照射可能であることを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の三次元計測装置。

手段８のように、液晶スリット板を用いることで、位相シフト法用の照射にも空間コード化法用の照射にも対応することができる。そのため、手段７において述べた作用効果がより確実に奏される。

手段９．手段１乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置を備えてなる基板検査機。

手段９のように、上記各技術思想を、三次元計測装置を備える基板検査機にも具現化することもできる。

以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における三次元計測装置を具備する基板検査機１を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、基板検査機１は、検査対象たるクリームハンダの印刷されてなるプリント基板Ｋを載置するためのコンベア２と、プリント基板Ｋの表面に対し斜め上方から所定の光パターンを照射するための照射手段３と、プリント基板Ｋ上の前記照射された領域を撮像するための撮像手段を構成するＣＣＤカメラ４とを備えている。なお、本実施形態におけるクリームハンダＣは、プリント基板Ｋ上に設けられた銅箔からなる電極パターン上に印刷形成されている。また、電極パターン上にはハンダメッキが施されている。さらに、検査に際し、前記コンベア２は、プリント基板Ｋとともに水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へスライドさせられるようになっている。

ここで、照射手段３についてより詳しく説明する。照射手段３は、ＬＥＤからなる光源１１と、光源１１から照射される光を集める集光レンズ１２と、液晶透過装置１３と、液晶透過装置１３を透過した光パターンを投影する投影レンズ１４とを備えている。

本実施形態において、前記照射手段３は、位相シフト法用の光パターンと、空間コード化法用の光パターンとを切換えて照射できるようになっている。より詳しくは、位相シフト法用の光パターンとは、照度（輝度）が一定の周期で正弦波状に変化する縞状の光パターンである。当該正弦波状に変化する縞状の光パターンは、位相シフト法用の照射に際し、４分の１ピッチづつ位相が変化させられる。

また、空間コード化法用の光パターンとは、各撮像回毎に、最小周期の光パターンに対して、各回で異なる整数値を乗算した周期で明・暗が反転するパターンである。より詳しくは、前記位相シフト法用の縞状の光パターンの１周期分を最小周期として、１回目は、前記１周期内に明・暗が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光パターンが照射され、２回目は、その２倍の周期で明・暗が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光パターンが照射される。３回目は、さらにその倍（前記最小周期の４倍）の周期で明・暗が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光パターンが照射される。

このような光パターンの照射を実現するため、本実施形態では、液晶透過装置１３として、次のような構成が採用されている。すなわち、図２に示すように、液晶透過装置１３は、液晶スリット板２１と、後述する制御装置７の液晶制御部７２からのパターン信号をデコードして、前記液晶スリット板２１のスリットパターンを変化するデコーダ２２とを含んで構成されている。液晶スリット板２１の一方の表面には、同図縦方向に分割された複数のアノード側透明電極２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，・・・・２５ｈが設けられており（総称するときには「２５」と表記する。また、図は、あくまでも便宜的なものであり、実際には、アノード側透明電極は多数本設けられている。）、これらに対し、デコーダ２２から個別的に電圧が印加され電力が与えられる。液晶スリット板２１の他方の表面には、単一かつ共通のカソード側透明電極２６が形成されており、この電極２６は接地されている。電極２５、２６間に充填される液晶としては、電圧が印加されることによって遮光性となるもの、或いは、透過性となるもの、のうちいずれかが用いられる。

次に、かかる液晶透過装置１３の光制御パターンについて説明する。上記のとおり、液晶透過装置１３によって位相シフト法用の光制御パターンと、空間コード化法用の光制御パターンとが切換えられるようになっている。位相シフト法用の光制御パターンとしては、図３の位相シフト（Ｓ１）〜位相シフト（Ｓ４）の光制御パターン例に示すように、光の透過率が階段状に変化し、略正弦波を描くように光を透過するよう構成されている。そして、位相シフト（Ｓ１）から位相シフト（Ｓ４）の順に光制御パターンが切換えられるのに伴って、位相が９０゜（π／２）ずつずらされる。これにより、照射手段３からは、一定の周期で略正弦波状に変化する縞状の光パターンが照射されるようになっており、上記のように位相がずらされるようにして４回の照射が行われ、各照射毎に位相シフト法用の撮像が行われるようになっている。

また、空間コード化法用の光制御パターンとしては、図３の空間コード（Ｃ１）〜空間コード（Ｃ３）の光制御パターン例に示すように、光の透過率が「０（最小）」と「４（最大）」との間で交互に光を透過するよう構成されている。そして、空間コード（Ｃ１）は、上記のように、位相シフト（Ｓ１）〜（Ｓ４）の光透過パターンの１周期分を１周期（最小周期）として、前記１周期内に明（透光）・暗（遮蔽）が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光制御パターンとされる。また、空間コード（Ｃ２）は、その２倍の周期で明・暗が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光制御パターンとされる。さらに、空間コード（Ｃ３）は、さらにその倍［空間コード（Ｃ１）の４倍］の周期で明・暗が１回ずつ含まれるよう反転するストライプ状の光制御パターンとされる。

本実施形態において、位相シフト法による計測に際しては、各測定ポイント毎に、４回の撮像が行われるのであるが、空間コード化法による計測に際しては、後述するように、そのときどきのクリームハンダの概略高さ情報に基づいて、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像回数が決定され、決定された撮像回数での撮像及び照射が実行される。より詳しくは、クリームハンダの概略高さ情報に基づき、クリームハンダ（計測対象部）が例えば０μｍ〜１００μｍ（但し、１００μｍは含まない；以下同様）の範囲内にあると判断された場合には、第１態様での計測が行われるようになっている。また、計測対象部が例えば１００μｍ〜２００μｍ（但し、２００μｍは含まない；以下同様）の範囲内にあると判断された場合には、第２態様での計測が行われるようになっている。さらに、計測対象部が例えば２００μｍ〜４００μｍの範囲内にあると判断された場合には、第３態様での計測が行われるようになっている。尚、本実施形態では、説明の便宜上、クリームハンダ（計測対象部）の高さが４００μｍを超えるケースはないものとして説明することとしている。

そして、第１態様での計測が行われる場合には、空間コード化法用の撮像回数はゼロ回とされる。従って、この場合には、位相シフト法のみによる計測が行われる。

また、第２態様での計測が行われる場合には、空間コード化法用の撮像回数は２回とされる。この場合には、最小周期の空間コード（Ｃ１）と、その２倍の周期の空間コード（Ｃ２）の光制御パターンでの照射が行われる。

さらに、第３態様での測定が行われる場合には、空間コード化法用の撮像回数は３回とされる。この場合には、最小周期の空間コード（Ｃ１）と、その２倍の周期の空間コード（Ｃ２）と、さらにその２倍の周期の空間コード（Ｃ３）の光制御パターンでの照射が行われる。

また、図１に示すように、前記照射手段３、ＣＣＤカメラ４、コンベア２等を駆動制御するとともに、ＣＣＤカメラ４により撮像された撮像データに基づき種々の演算（計測）、及び、検査を実行するための制御装置７が設けられている。すなわち、プリント基板Ｋがコンベヤ２上の所定位置に配置されると、制御装置７は、まず図示しないモータ等を駆動制御して所定の位置に移動させ、プリント基板Ｋを初期位置に移動させる。この初期位置は、例えばＣＣＤカメラ４の視野の大きさを１単位としてプリント基板Ｋの表面を予め分割しておいた中の１つの位置である。また、制御装置７は、照射手段３を駆動制御して光パターンの照射を開始させると共に、位相シフト法用の光パターンを、位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。また、これとともに、必要に応じて空間コード化法用の光パターンの照射を実行する。さらに、このようにして光パターンの照射が行われている間に、制御装置７はＣＣＤカメラ４を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分を撮像し、それぞれ必要な画像データ（位相シフト法用の画像データ及び空間コード化法用の画像データ）を得る。

制御装置７は画像メモリを備えており、各画像データを順次記憶する。当該記憶した画像データに基づいて、制御装置７は各種画像処理を行う。かかる画像処理が行われている間に、制御装置７は、モータを駆動制御してコンベア２（プリント基板Ｋ）を次の検査エリアへと移動せしめる。制御装置７は、ここでの画像データについても画像メモリへ格納する。一方、画像メモリでの画像処理が一旦終了した場合、すでに画像メモリには次の画像データが記憶されているので、速やかに制御装置７は次の画像処理を行うことができる。つまり、検査は、一方で次なる検査エリア（ｎ＋１番目）への移動及び画像入力を行い、他方ではｎ番目の画像処理及び計測・判定を行う。以降、全ての検査エリアでの検査が完了するまで、交互に同様の上記並行処理が繰り返し行われる。このように、本実施形態の基板検査装置１においては、制御装置７の制御により検査エリアを移動しながら、順次画像処理を行うことにより、プリント基板Ｋ上のクリームハンダの高さ計測を含む三次元計測を行い、クリームハンダの印刷状態を高速かつ確実に検査することができるようになっている。

上記のような制御を実現するべく、制御装置７は、メイン制御部７１、液晶制御部７２、光源制御部７３、及び、撮像制御手段としてのカメラ制御部７４を具備している。液晶制御部７２は、上述した液晶透過装置１３の光制御パターンを主として制御する。また、光源制御部７３は、光源１１の点灯、消灯等を主として制御する。さらに、カメラ制御部７４は、上述のとおり、ＣＣＤカメラ４による検査エリア部分の撮像を制御する。また、カメラ制御部７４は、撮像の実行以外にも、プリント基板Ｋの設計データ、製造データ等に基づき、クリームハンダの概略高さ情報を取得（読み取り）可能に構成されている。そして、当該概略高さ情報に基づき、カメラ制御部７４では、上記のとおり、空間コード化法用の光パターンの照射に基づくＣＣＤカメラ４による撮像回数が決定されるようになっている。

本実施形態では、上記概略高さ情報として、プリント基板Ｋのライブラリデータが取得される（読み込まれる）ことに基づき、クリームハンダ（各計測対象部）のおおよその高さが得られるようになっている。勿論、プリント基板Ｋの設計データ、製造データとしては、ライブラリデータに限られるものではなく、ＣＡＤデータや、実装データ、或いは部品データ、及び、これらのうちの任意の組み合わせを採用することとしてもよい。

さらに、メイン制御部７１は、各制御部７２〜７４の各種制御を主として司るとともに、コンベア２を制御したり、撮像により得られた画像データに基づき、画像処理及び計測（位相シフト法による計測、空間コード化法による計測）・判定を行ったりする。すなわち、メイン制御部７１は、本発明における第１演算手段、及び、第２演算手段としても機能する。

次に、メイン制御部７１をはじめとする制御装置７にて実行される三次元計測（基板検査）の処理内容を、図４のフローチャートに基づいて説明する。図４は、所定検査エリアにおける基板検査の処理内容の一例を示している。制御装置７では、ステップＳ１０１において、該当するプリント基板Ｋのライブラリデータを読み込む。続くステップＳ１０２において、クリームハンダ（計測対象部）のおおよその高さを得る。

そして、得られた計測対象部のおおよその高さが０μｍ〜１００μｍの範囲内にある場合には、ステップＳ１０３に移行し、第１態様での計測を実行する。第１態様での計測に際しては、図５に示すように、空間コード化法用の撮像回数はゼロ回とされる。従って、この場合には、位相シフト法のみによる計測が行われる。すなわち、上述した位相シフト（Ｓ１）〜位相シフト（Ｓ４）の光制御パターンに基づいて、図５に示すような位相シフト法（ＩＳ１）〜位相シフト法（ＩＳ４）の４回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に位相シフト法用の撮像が行われる。そして、背景技術においても説明した公知の位相シフト法によって、当該位相シフト法のみに基づいた、計測対象部の高さ計測が行われる。

また、得られた計測対象部のおおよその高さが１００μｍ〜２００μｍの範囲内にある場合には、ステップＳ１０４に移行し、第２態様での計測を実行する。第２態様での計測に際しては、空間コード化法用の撮像回数は２回とされる。この場合には、最小周期の空間コード（Ｃ１）と、その２倍の周期の空間コード（Ｃ２）の光制御パターンでの照射が行われる。すなわち、図６に示すような空間コード化法（ＫＣ１）、空間コード化法（ＫＣ２）の２回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に空間コード化法用の撮像が行われる。また、当該撮像とは別に、位相シフト法（ＩＳ１）〜位相シフト法（ＩＳ４）の４回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に位相シフト法用の撮像が行われる。そして、先ずは空間コード化法に基づいて、計測対象部の空間コード番号が特定される。これにより位相シフト法の縞次数が特定される。また、特定された縞次数に基づいて、位相シフト法によって計測対象部の高さ計測が行われる。

また、得られた計測対象部のおおよその高さが２００μｍ〜４００μｍの範囲内にある場合には、ステップＳ１０５に移行し、第３態様での計測を実行する。第３態様での計測に際しては、空間コード化法用の撮像回数は３回とされる。この場合には、最小周期の空間コード（Ｃ１）と、その２倍の周期の空間コード（Ｃ２）と、さらにその倍の周期の空間コード（Ｃ３）の光制御パターンでの照射が行われる。すなわち、図７に示すような空間コード化法（ＫＣ１）、空間コード化法（ＫＣ２）及び空間コード化法（ＫＣ３）の３回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に空間コード化法用の撮像が行われる。また、当該撮像とは別に、位相シフト法（ＩＳ１）〜位相シフト法（ＩＳ４）の４回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に位相シフト法用の撮像が行われる。そして、先ずは空間コード化法に基づいて、計測対象部の空間コード番号が特定される。これにより位相シフト法の縞次数が特定される。また、特定された縞次数に基づいて、位相シフト法によって計測対象部の高さ計測が行われる。

さて、上記ステップＳ１０３，１０４，１０５から移行して、ステップＳ１０６においては、計測結果を判定する。すなわち、前記各ステップＳ１０３〜１０５での計測対象部の高さが予め定められた許容範囲内にあるか否かを判定する。そして、続くステップＳ１０７において、その判定結果を外部に出力してその後の処理を一旦終了する。より詳しくは、計測対象部の高さが予め定められた許容範囲内にある場合には、ＯＫ（良）である旨を出力し、計測対象部の高さが許容範囲内にない場合には、不良であるものとして、警告音を発したり、一旦検査機の動作を停止したり、モニタにその旨の表示を行ったりして、作業者等に報知を促す。

ここで、より具体的な事例を図８に基づいて説明する。上述のとおり、最終的な計測対象部の高さは、位相シフト法により得られる位相角θによって求められる。例えば、図８に示すように、位相シフト法における正弦波の１周期分が１００μｍに対応し、かつ、位相シフト法により得られる位相角θが９０゜であったとする。すると、同図より、候補となる高さは、「２５μｍ」、「１２５μｍ」、「２２５μｍ」、・・・となる。ここで、ライブラリデータによる計測対象部のおおよその高さが１００μｍ〜２００μｍの範囲内にあると推定された場合には、第２態様での計測が行われる。つまり、この場合には、空間コード化法用の撮像回数は２回とされる［空間コード化法（ＫＣ１）、空間コード化法（ＫＣ２）の２回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に空間コード化法用の撮像が行われる］。そして、空間コード化法で求められた空間コード番号が「０」であれば（縞次数が０であれば）、実際の高さは「２５μｍ」であるとされ、空間コード番号が「２」であれば（縞次数が１であれば）、実際の高さは「１２５μｍ」であるとされる。

また、上記事例において位相シフト法により得られる位相角θが１８０゜であったとする。すると、同図より、候補となる高さは、「５０μｍ」、「１５０μｍ」、「２５０μｍ」、・・・となる。ここで、ライブラリデータによる計測対象部のおおよその高さが１００μｍ〜２００μｍの範囲内にあると推定された場合には、上記同様第２態様での計測が行われ、空間コード化法用の撮像回数は２回とされる。そして、空間コード化法で求められた空間コード番号が「０」又は「１」であれば（縞次数が０又は２であれば）、実際の高さは「５０μｍ」であるとされ、空間コード番号が「２」又は「３」であれば（縞次数が１であれば）、実際の高さは「１５０μｍ」であるとされる。

さらに、別の事例について説明する。例えば、図９に示すように、位相シフト法における正弦波の１周期分が１００μｍに対応し、かつ、位相シフト法により得られる位相角θが２７０゜であったとする。すると、同図より、候補となる高さは、「７５μｍ」、「１７５μｍ」、「２７５μｍ」、「３７５μｍ」・・・となる。ここで、ライブラリデータによる計測対象部のおおよその高さが２００μｍ〜４００μｍの範囲内にあると推定された場合には、第３態様での計測が行われる。つまり、この場合には、空間コード化法用の撮像回数は３回とされる［空間コード化法（ＫＣ１）、空間コード化法（ＫＣ２）、空間コード化法（ＫＣ３）の３回の光パターンの照射が行われ、各照射毎に空間コード化法用の撮像が行われる］。そして、空間コード化法で求められた空間コード番号が「１」であれば（縞次数が０であれば）、実際の高さは「７５μｍ」であるとされ、空間コード番号が「３」であれば（縞次数が１であれば）、実際の高さは「１７５μｍ」であるとされ、空間コード番号が「５」であれば（縞次数が２であれば）、実際の高さは「２７５μｍ」であるとされ、空間コード番号が「７」であれば（縞次数が３であれば）、実際の高さは「３７５μｍ」であるとされる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、最終的には、位相シフト法により計測対象部の高さが計測されるのであるが、これに先だって、空間コード化法によって、計測対象部に対応する縞（縞次数）に相当する空間コード番号が、特定される。すなわち、縞次数が特定された上で、計測対象部の高さが計測される。そのため、空間コード化法のメリットたる測定可能な高さレンジを大きくできること、及び、位相シフト法のメリットたる高精度な計測を実現することができること、の双方の効果が奏される。

また、本実施形態では、単に位相シフト法と空間コード化法とを組み合わせるという技術思想にとどまらず、ライブラリデータを読み込みんで、計測対象部のおおよその高さを得ることとし、それによって、空間コード化法用の撮像回数を決定することとしている。より詳しくは、計測対象部のおおよその高さが０μｍ〜１００μｍの範囲内にある場合には、第１態様（位相シフト法のみ）での計測を実行し、計測対象部のおおよその高さが１００μｍ〜２００μｍの範囲内にある場合には、第２態様（位相シフト法＋空間コード化法用の２回の撮像）での計測を実行し、計測対象部のおおよその高さが２００μｍ〜４００μｍの範囲内にある場合には、第３態様（位相シフト法＋空間コード化法用の３回の撮像）での計測を実行することとした。このように、計測対象部の高さがそれほど高くない場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像手段による撮像回数を、より少ないものとすることができる。一方、計測対象部の高さが高い場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像手段による撮像回数をそれに応じて多くすることで、高さレンジに対応して、空間コード番号（位相シフト法における縞次数）を的確に特定することができる。すなわち、そのときどきに取得される計測対象部の高さ情報等に応じた最小限の最適な撮像回数を決定することができ、ひいては、総合的にも最小限の撮像回数で精度の高い三次元計測を実現できる。結果として、計測効率の向上を実現することができる。

特に、本実施形態では、計測対象部のおおよその高さが０μｍ〜１００μｍの範囲内にある場合には、空間コード化法用の光パターンの照射に基づく撮像回数をゼロ回とし、位相シフト法のみによって計測対象部の高さを計測することとした。従って、より一層の計測効率の向上を図ることができる。

一方で、計測対象部のおおよその高さが１００μｍ以上の場合には、空間コード化法用の互いに異なる光パターンの照射に基づく撮像回数を２回以上とすることとしている。このように、２回以上撮像されることで空間コード化法用の画像データが２つ以上存在することとなる。これにより、位相シフト法のみでは複数の高さ候補が存在する場合でも、位相シフト法における縞次数をより的確に特定することができ、ひいては正確な計測を実現することができる。

また、本実施形態では、単一の照射手段３、単一のＣＣＤカメラ４を用いることとしている。換言すれば、位相シフト法用と空間コード化法用とで異なる照射手段、撮像手段を用いなくても済む。そのため、省スペース化を図ることができるとともに、コストの増大抑制を図ることができる。また、本実施形態では、照明手段３として、液晶スリット板２１を有する液晶透過装置１３を用いることで、位相シフト法用の照射にも空間コード化法用の照射にも対応することができる。そのため、上記作用効果がより確実に奏される。

なお、上述した実施の形態の記載内容に限定されることなく、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、クリームハンダ（計測対象部）の高さが４００μｍを超えるケースはないものとして説明することとしている。これに対し、空間コード化法用の撮像回数をさらに増大することで、４００μｍを超える場合であっても、計測可能である。すなわち、上記実施形態では、空間コード化法用の撮像回数の上限が３回となっているが、４回以上撮像することとしても差し支えない。

（ｂ）上記実施形態では、特に言及していないが、空間コード化法においては、明・暗の境界を特定することが重要となっている。そこで、液晶透過装置１３による光制御パターンの明・暗を逆転させた光パターンを別途照射することとしてもよい。このようにして第１のパターン光と、その第１パターン光の照射領域と陰の領域とを反転した第２パターン光とを照射し、撮像するのである。図１０に、第１パターン光を照射して得られる画像情報の一部を符号Ｌａで示し、第２パターン光を照射して得られる画像情報の一部を符号Ｌｂで示す。第１パターン光によって得られる画像情報Ｌａの透光領域に対応する照射領域の部分Ｌａ１は、第２パターン光を用いたときの画像情報Ｌｂの遮光領域に対応する部分Ｌｂ１となる。これらの画像情報Ｌａ，Ｌｂの明るさ、すなわち光強度が互いに交わる点を、明・暗の境界とすることで、光源１１からの光にムラが生じたり、外乱要因が存在したとしても、それに影響されることなく、正確に明・暗の境界を特定することができる。ひいては、空間コード化法におけるより正確な演算を実現することができる。

（ｃ）上記実施形態では、位相シフト法による撮像回数を４回としているが、撮像回数を３回としてもよい（特開２００２−８１９２４号公報等参照）。

（ｄ）上記実施形態では、最小周期を１００μｍとして計測することとしているが、これはあくまでも例示であって、かかる数値に拘泥されるものではない。

（ｅ）上記実施形態では、クリームハンダを計測対象しているが、他の計測対象を計測することとしてもよい、他の計測対象としては、例えば、ハンダバンプ、電子部品等が挙げられる。

（ｆ）上記実施形態では、計測された高さが１回でも範囲を逸脱する場合には、不良と判定することとしたが、判定基準については何ら限定されるものではない。例えば、複数エリアにおいて逸脱する場合に不良と判定することとしてもよいし、クリームハンダ全体の体積が所定値以下の場合に不良と判定することとしてもよい。

三次元計測装置を含む基板検査機を示す概略構成図である。 液晶透過装置を示す概略構成図である。 液晶透過装置における位相シフト法用の光制御パターン、及び、空間コード化法用の光制御パターンを示す図である。 所定検査エリアにおける基板検査の処理内容の一例を示すフローチャートである。 第１態様での計測に際して、照射される位相シフト法用の光パターンを示す模式図である。 第２態様での計測に際して、照射される空間コード化法用の光パターン及び位相シフト法用の光パターンを示す模式図である。 第３態様での計測に際して、照射される空間コード化法用の光パターン及び位相シフト法用の光パターンを示す模式図である。 具体的な高さ計測の事例を示す説明図である。 別の具体的な高さ計測の事例を示す説明図である。 別の実施形態において液晶透過装置による光制御パターンの明・暗を逆転させた光パターンを別途照射することで、明暗の境界を求める事例を示す説明図である。

符号の説明

１…基板検査機、３…照射手段、４…撮像手段を構成するＣＣＤカメラ、７…制御装置、１１…光源、１２…液晶透過装置、２１…液晶スリット板、２５，２６…電極、７１…メイン制御部、７２…液晶制御部、７３…光源制御部、７４…撮像制御手段としてのカメラ制御部。

Claims (7)

1. 基板本体上の計測対象部に対し、位相シフト法用の縞状の光パターン及び空間コード化法用の縞状の光パターンを照射可能な照射手段と、
   前記光パターンの照射された計測対象部を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段による撮像を制御する撮像制御手段と、
   前記撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象部の高さを演算する第１演算手段と、
   前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における画像データのうち前記計測対象部に対応する縞を、空間コード化法により特定可能な第２演算手段と
   を備えた三次元計測装置であって、
   前記撮像制御手段は、基板の設計データ及び製造データのうち少なくとも一方に基づき、前記計測対象部の高さ情報又は概略高さ情報を取得し、当該高さ情報又は概略高さ情報に基づき、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を決定し、決定した撮像回数での撮像を実行し、
   前記撮像制御手段は、
   取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値未満である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数をゼロ回とし、前記第２の演算手段による特定を経ることなく、前記第１演算手段によって前記計測対象部の高さを演算し、
   取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値以上である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の互いに異なる光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を２回以上とすることを特徴とする三次元計測装置。
2. 基板本体上の計測対象部に対し、略正弦波状の光強度分布を有する位相シフト法用の縞状の光パターン、及び、光強度分布が所定コードに従う空間コード化法用の縞状の光パターンを照射可能な照射手段と、
   前記位相シフト法用の光パターン及び空間コード化法用の光パターンが照射された計測対象部を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段による撮像を制御する撮像制御手段と、
   前記撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象部の高さを演算する第１演算手段と、
   前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における縞次数を、空間コード化法により特定可能な第２演算手段と
   を備え、
   前記第２演算手段によって、前記位相シフト法による前記第１演算手段での演算時における縞次数を特定した上で、前記第１演算手段によって、前記計測対象部の高さを演算するよう構成されてなる三次元計測装置であって、
   前記撮像制御手段は、基板の設計データ及び製造データのうち少なくとも一方に基づき、前記計測対象部の高さ情報又は概略高さ情報を取得し、当該高さ情報又は概略高さ情報に基づき、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を決定し、決定した撮像回数での撮像を実行し、
   前記撮像制御手段は、
   取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値未満である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数をゼロ回とし、前記第２の演算手段による特定を経ることなく、前記第１演算手段によって前記計測対象部の高さを演算し、
   取得した前記高さ情報又は概略高さ情報が、前記計測対象部の高さが第１の所定値以上である旨の情報である場合には、前記空間コード化法用の互いに異なる光パターンの照射に基づく前記撮像手段による撮像回数を２回以上とすることを特徴とする三次元計測装置。
3. 前記位相シフト法用の縞状の光パターンは、当該位相シフト法用の縞状の光パターンの照射に基づく各撮像回数毎に、同じ周期で位相が異なるパターンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
4. 前記空間コード化法用の縞状の光パターンは、前記空間コード化法用の光パターンの照射に基づく各撮像回毎に、最小周期の光パターンに対して、各回で異なる整数値を乗算した周期で明暗が反転するパターンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
5. 前記照射手段は、単一の照明からなり、位相シフト法用の光パターン及び空間コード化法用の光パターンを切換照射可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
6. 前記照射手段は、光源と、液晶スリット板とを具備し、
   前記液晶スリット板の一方の面側の複数の電極に印加する電圧を制御することで、前記光源からの光を略正弦波状に透過させて、位相シフト法用の縞状の光パターンを照射可能であるとともに、前記光源からの光をストライプ状に透過させて空間コード化法用の明・暗縞状の光パターンを照射可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置を備えてなる基板検査機。
   

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